基于单片机的直流伺服电机PWM控制系统

1、1 运动控制系统运动控制系统 课程设计课程设计 题题 目目: : 基于单片机的直流伺服电机基于单片机的直流伺服电机 PWMPWM 控制系统控制系统 院系名称院系名称: : 电气工程学院电气工程学院 专业班级专业班级: : xxxxxx 学生姓名学生姓名: : xxxxxx 学学 号号: : xxxxxxxx 指导教师指导教师: : 石庆生石庆生 评语： 成绩 2 摘摘 要要 单片机是应控制领域应用的要求而出现的，随着单片机的迅速发展，起应 用领域越来越广。尽管目前已经发展众多种类的单片机，但是应用较广、也是 最成熟的还是最早有 Intel 开发的 MCS-51 系列单片机（51 系列单片机）

2、。51 系 列单片机应用系统已经成为目前主流的单片机应用系统。 直流电机脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation简称 PWM）调速产生 于 20 世纪 70 年代中期，最早用于自动跟踪天文望远镜，自动记录仪表等的驱 动，后来用于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，PWM 技术得到了高速 发展，各式各样的脉宽调速控制器，脉宽调速模块也应运而生，许多单片机也 都有了 PWM 输出功能。而 MCS51 系列单片机作为应用最广泛的单片机之一， 却没有 PWM 输出功能，本课设采用配合软件的方法实现了 MCS51 单片机的 PWM 输出调速功能，这对精度要求不高的场合时非常实用的。

3、3 目目 录录 1 1、前言、前言.3 3 1.1 单片机的发展史 .3 1.2 本设计任务 .4 2 2、总体设计方案、总体设计方案.5 5 3 3、硬件电路设计、硬件电路设计.5 5 3.1 硬件组成 .5 3.2 主要器件功能介绍 .6 3.2.1 直流伺服电机简介.6 3.2.2 PWM 简介及调速原理.7 3.2.3 传感器选择 .8 3.3 电路组成 .9 3.3.1 晶振电路 .9 3.3.2 复位电路 .9 3.3.3 单相桥式整流电路 .10 3.3.4 调制电路 .10 4 4、系统软件设计、系统软件设计.1111 4.1 系统简介及原理 .11 4.2 系统设计原理 .1

4、1 4.3 程序流程图 .13 5 5、建模、建模.1414 5.1 控制框图 .14 5.2 参数计算 .15 5.3 PWM 变换器环节的数学模型.16 5.4 仿真结果图 .17 总总 结结.1818 参考文献参考文献.1818 附件附件 1 1：汇编设计：汇编设计 .1919 附件附件 2 2： .2121 0 1 1、前言前言 1.11.1 单片机的发展史单片机的发展史 单片机作为微型计算机的一个重要分支,应用面很广,发展很快。自单片机 诞生至今以发展为上百种系列的近千个分支。如果将 8 位单片机的推出作为起 点，那么单片机的发展历史大致可以分为以下几个阶段： （1）第一阶段（197

5、61978）：单片机的控索阶段。以 Intel 公司的 MCS48 的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有 Motorola、Zilog 等， 都取 得了满意的效果。这就是 SCM 的诞生年代， “单片机”一词由此而来。 （2）第二阶段（19781982）：单片机的完善阶段。Intel 公司在 MCS48 的 基础上推出了完善的，典型的单片机系列 MCS51.它在以下几个方面奠定了典 型的通用总线型单片机体系结构。 完善的外部总线。MCS51 设置了经典的 8 位单片机的总线结构，包括 8 位数据总线 16 位地址总线控制总线及具有很多通信功能的串行通信接口。 CPU 外围功能单元的

6、集中管理模式。 体现工控特性的位地址空间及位操作方式。 指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。 （3）第三阶段（19821990）：8 位单片机的巩固发展及 16 位单片机的推出 阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel 公司推出的 MCS96 系列单 片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳 入片中，体现了单片机的微控制器的特征。随着 MCS51 系列的广泛应用，许 多电气厂商竞相使用 80C51 为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口 技术、多通道 A/D 转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路 的功能，强化了智能

7、控制的特征。 （4）第四阶段（1990）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域 全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的 8 位/16 位 /32 位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。 1.21.2 本设计任务本设计任务 任务: 单片机为控制核心的直流电机 PWM 调速控制系统。 1 功能主要包括： 1)直流电机的正转； 2)直流电机的反转； 3)直流电机的加速； 4)直流电机的减速； 5)直流电机的转速在数码管上显示； 6)直流电机的启动； 7)直流电机的停止； 2 2、总体设计方案、总体设计方案 总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示。 图 1 键盘向单

8、片机输入相应控制指令，由单片机通过 P1.0 与 P1.1 其中一口 输出与转速相应的 PWM 脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大、光耦传递， 驱动 H 型桥式电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制。电动机的运 转状态通过数码管显示出来。电动机所处速度级以速度档级数显示。正转时 最高位显示“三” ，其它三位为电机转速；反转时最高位显示“F” ，其它三 位为电机转速。每次电动机启动后开始显示，停止时数码管显示出“0000” 。 3 3、硬件电路设计、硬件电路设计 3.13.1 硬件组成硬件组成 本系统由 PC 机、MCS-51 单片机开发系统、 、PWM 脉宽调制控制板以及直流 伺服电动机

9、等组成。具体相关硬件如下所示： 单片机PWM 电机驱动 数码管显示 按键控制 2 二极管（1N4077）4 个，场效应管（2SJ50）4 个，非门 74LS04 1 个，与门 74LS08 2 个，电容（CAPACITOR） 2 个，芯片（AT89C51） 1 个，开关 （BUTTON）3 个，直流伺服电动机（MOTOR）1 个，电阻（RES）4 个，电源 3 个， 地（GROUND）4 个。如表 3.1 所示： 硬件型号数量硬件型号数量 1N40774MOTOR1 2SJ504RES4 74LS041CAPACITOR2 74LS082GROUND4 AT89C511VCC3 BUTTON3

10、 表 3.1 元件表 3.23.2 主要器件功能介绍主要器件功能介绍 3.2.13.2.1 直流伺服电机简介直流伺服电机简介 伺服电机也称执行电机，它具有一种服从控制信号的要求而动作的电机，在 信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号小时， 转子能即使自行停转，由于这种“伺服”性能，因此而得名。 按照在自动控制系统中的功用所要求，伺服电机具备可控性好、稳定性高 和速应性强等基本性能。可控制性好是指寻好消失以后，能立即自行停转；稳 定性高是指转速随转矩的增加而均匀下降，速应性强是指反应快，灵敏。 直流伺服电动机在自动控制系统中常用作执行元件,对它的要求是要有下垂 的机械特性

11、、线性的调节特性和对控制信号能作出快速反应。该系统采用的是 电磁式直流伺服电动机,其型号为 45SY01 型,其转速 n 的计算公式如下: n=E/K=(Ua-IaRa)/K 式中 n 为转速; 为磁通;E 为电枢反电势;Ua 为外加电压;IaRa 为电枢电流和电 阻。 3 直流伺服电机与普通直流电机以及交流伺服电机的比较： 直流伺服电机的工作原理和普通直流电机相同。只要在其励磁绕组中有电 流通过且产生了磁通，当电枢绕组中通过电流时，这个电枢电流与磁通互相作 用而产生转矩使伺服电机投入工作。这两个绕组其中的一个断电时，电动机立 即停转，它不象交流伺服电动机那样有“自转”现象。所以我们选择直流伺服 电动机来进行自动门的拖动。 3.2.23.2.2 PWMPWM 简介及调速原理简介及调速原理 （1）简介：PWM 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列 脉冲的宽度进行调制，来等待地获得所需要波形。PWM 的一个优点是从处理器 到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持在数字形式 可将噪声影响降到最小。PWM 控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优 点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式。 （2）调速原理：占空比表示了在一个周期 T 里，开关管导通的时间与周期 的比值。其变化范围为 01。如图 2.1，在电源电压不变的